Практическая работа №1 Термохимия Основы теории



страница1/4
Дата28.11.2017
Размер0.58 Mb.
ТипПрактическая работа
  1   2   3   4


Общая химическая технология

(Практические работы)


Практическая работа № 1

Термохимия

Основы теории
Термохимия — учение о тепловых эффектах химических реакций. Для решения задач по термохимии необходимо знать такие понятия, как тепловой эффект реакции, стандартная тепловой эффект образования вещества, стандартная тепловой эффект сгорания химического соединения, закон Гесса и следствия из него, возможность самопроизвольного протекания реакции, зависимость энергии Гиббса от температуры. Наиболее важным понятием химической энергетики является тепловой эффект химической реакции. Данные о тепловых эффектах применяются для определения строения и реакционной способности соединений, энергии межатомных и межмолекулярных связей, используются в технологических и технических расчетах. В основе термохимических расчетов по уравнениям реакций лежит закон сохранения и превращения энергии, или первое начало термодинамики. Сущность его состоит в том, что при всех превращениях энергия не возникает и не исчезает, а одни ее виды переходят в эквивалентные количества других видов. Количество выделившейся (поглощенной) теплоты в результате химической реакции называется тепловым эффектом реакции Q (при p-const QP или V-const QV) (измеряется в кДж). По тепловому эффекту химические реакции подразделяются на экзотермические (с выделением теплоты (+Q)) и эндотермические (с поглощением теплоты (-Q)). Существует величина обратная тепловому эффекту (записывается с противоположным знаком). Она характеризует внутреннюю энергию вещества и называется энтальпией (∆Н). Изменение энтальпии измеряют в кДж/моль, т.е. это то количество теплоты, которое выделяется или поглощается при образовании 1 моль вещества из простых веществ. С термодинамической точки зрения принимают, что тепловой эффект при постоянном давлении и температуре равен изменению энтальпии ΔН. Передачу энергии при этом рассматривают как бы со стороны самой реакционной системы. Если система отдала энергию во внешнюю среду, величина ΔН считается отрицательной ΔН<0, если реакционная система получила энергию за счет внешней среды — величину ΔН считают положительной ΔН>0. Вычисление теплоты реакции по теплотам образования участвующих в ней веществ, производится на основании закона Гесса.

Закон Гесса: Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении и объеме не зависит от пути реакции (т.е. от промежуточных стадий), а определяется начальным и конечным состоянием системы (т.е. состоянием исходных веществ и продуктов реакции (газ, жид., тв.)).

ΔrН0298 – стандартная энтальпия реакции (reaction), тепловой эффект реакции.

ΔfН0298 – стандартная энтальпия образования (formation) 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях (Т=298К или 25С, Р=1 атм.), на которые указывает знак «0», (кДж/моль).

ΔсН0298 стандартная энтальпия сгорания (combustion) 1 моль вещества (до образования СО2, Н2О, и др. продуктов), (кДж/моль).

Следствие 1 из закона Гесса:

Тепловой эффект химической реакции равен разности между алгебраической суммой теплот образования продуктов реакции и алгебраической суммой теплот образования исходных веществ



Н0298 =∑(nj ·ΔfН0298)прод - ∑(ni· ΔfН0298)исх.

где, nj и ni количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).



Следствие 2 из закона Гесса:

Тепловой эффект химической реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус сумма теплот сгорания продуктов реакции



Н0298 =∑(ni· ΔсН0298) - ∑(nj· ΔсН0298)

где, ni и nj - количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).

В химических реакциях может одновременно изменяется и энергия системы и ее энтропия, поэтому реакция протекает в том направлении, в котором общая суммарная движущая сила реакции уменьшается. Если реакция происходит при постоянном температуре и давлении, то общая движущая сила реакции называется энергией Гиббса (ДG0) и направление реакции определяется ее изменением.

Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением



ΔG0T=ΔH0T – TΔS0T

При стандартной температуре



ΔG0298=ΔH 0298– TΔS0298

·G0298 – стандартная энергия Гиббса, изменение энергии Гиббса при образовании 1 моль вещества из простых веществ в стандартных условиях, (кДж/моль).

Стандартную энергию Гиббса реакции рассчитывают по первому следствию из закона Гесса.

rG 0298= ∑(njΔfG0298) прод. -∑ (niΔfG0298)исход.

ΔS0298 - стандартная энтропия 1 моль вещества в стандартном условиях, (Дж/К·моль). Энтропию можно характеризовать как меру беспорядка (неупорядоченности) системы. Эта величина характеризует изменение температуры в системе.

Поскольку энтропия – функция состояния системы, ее изменение (ДS) в процессе химической реакции можно подсчитать, используя следствие из закона Гесса.



ΔrS0298 =∑ (njΔfS0298) прод. –∑(niΔfS0298)исход

где, nj и ni количество вещества продуктов реакции и исходных веществ соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).



ΔrS0298 =∑ (niΔfS0298) исход –∑(njΔfS0298)прод

где, ni и nj - количество вещества исходных веществ и продуктов реакции соответственно (численно равно коэффициенту в уравнении реакции), (моль).



ΔrS0298стандартная энтропия реакции, (Дж/К).

ΔfS0298 – стандартная энтропия образования химического вещества, (Дж/К·моль).

Знак « - » перед членом TΔS0298 (энтропийным членом) ставится, для того чтобы при ΔH=0 сделать ∆G отрицательной величиной ΔG<0 – условие самопроизвольного протекания реакции.

Если пренебречь изменением ΔS0 и ΔН0 с увеличением температуры, то можно определить Травн, т.е. температуру, при которой устанавливается химическое равновесие химической реакции для стандартного состояния реагентов, т.е. из условия равновесия реакции ΔG=0 имеем 0=ΔrH 0298– TΔrS 0298, отсюда

Следует знать:

Если ΔS=0 (ΔS>0), ΔH<0(ΔH=0) то ΔG <0 – реакция протекает самопроизвольно, процесс протекает в прямом направлении (энергетически выгоден).

Если ΔS=0(ΔS<0), ΔH>0 (ΔH=0) то ΔG>0 – протекание реакции невозможна, возможна только в обратном направлении (энергетически невыгоден).

Если \ΔS=0, ΔH=0 ΔG=0 – система находится в состоянии равновесия.

Примеры решения задач

1. Вычислить тепловой эффект реакции получения гидроксида кальция

СаО(т) + Н2О(ж) = Са(ОН)2(т), если теплота образование СаО(т) равна +635701,5Дж/моль, теплота образования Н2О(ж) +285835,5 Дж/моль и теплота образования Са(ОН)2 +986823 Дж/моль.

Решение:

Тепловой эффект реакции

СаО (т) + Н2О (ж) = Са(ОН)2(т) по первому следствию закона Гесса, будет равен теплоте образования Са(ОН)2(т) минус теплота образования Н2О(ж) и теплота образования (СаО(т)):

ΔrН0298 =∑(nj ·ΔfН0298)прод - ∑(ni··ΔfН0298)исх.

ΔrН0298=1 моль·ΔfН0298(Са(ОН)2(т)) - (1 моль ΔfН0298(СаО(т)) +

+1 моль·ΔfН02982О (ж)))=1 моль·986823 Дж/моль - (1 моль· 635701,5 Дж/моль + 1 моль·285835,5 Дж/моль)= 65 286 Дж.

Ответ: 65286 Дж.

2. Вычислите изменения энергии Гиббса в реакции димеризации диоксида азота при стандартной температуре, при 0 и 100єС. Сделать вывод о направлении процесса.

Решение:

При стандартной температуре 298 К изменение энтальпии в реакции

2NO2 (г) N2O4(г) равно (первое следствие закона Гесса)

ΔrН0298 =∑(nj ·ΔfН0298)прод - ∑(ni·ΔfН0298)исх.

Δ rН0298 =1 моль· 9660 Дж/моль – 2 моль·33800 Дж/ моль = - 57940 Дж

Изменение температуры равно

ΔrS0298 =∑ (nΔfS0298) прод. –∑(nΔfS0298)исход = 1 моль·304 Дж/моль·К -

–2 моль·234 Дж/моль·К = - 164 Дж/К

Зависимость энергии Гиббса реакции от температуры описывается уравнением

ΔG0T =ΔH0T – TΔS0T

При стандартной температуре

ΔrG0298=ΔH 0298– TΔS0298 = - 57940 Дж – (298 К·(-164 Дж/К)) = -9068 Дж/моль.

Отрицательное значение энергии Гиббса реакции говорит о том, что смещении равновесия вправо (самопроизвольный процесс), т.е. в сторону образования диоксида азота.

При 0єС (273К)

ΔrG0273 = -57940 Дж + 273К· 164 Дж/К = -13168 Дж/моль

Более высокое отрицательное значение ΔG273 по сравнению с ΔG0298 свидетельствует о том, что при 273 К равновесие еще больше смещено в сторону прямой реакции.

При 100єС (373 К)

ΔrG373 = -57940 Дж + 373К·164 Дж/К = 3232 Дж/моль.

Положительная величина ΔG373 указывает на изменение направления реакции: равновесие смещено влево, т.е. в сторону распада димера N2O4 (реакция невозможна). Ответ: при 0єС (273 К) ΔrG273= -13168 Дж/моль, реакция протекает самопроизвольно; при 100єС (373 К) ΔrG373= 3232 Дж/моль, реакция невозможна.

3. Составьте термохимическое уравнение горения метана СН4 и рассчитайте объем воздуха, необходимый для сжигания 1моль метана, если известно, что при сгорании 5,6 л метана выделяется 220 кДж теплоты, содержание кислорода в воздухе равно 20%.

Решение:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О, ∆Н<0

Находим количество вещества метана объемом 5,6 л

Если при сгорании СН4 количеством вещества 0,25 моль выделяется 220 кДж теплоты, то при сгорании СН4 количеством вещества 1 моль выделяется 880 кДж теплоты.

Термохимическое уравнение:

СН4 +2О2 = СО2+ 2Н2О+ 880 кДж

Из уравнения реакции видно, что на сгорание СН4 количеством вещества 1моль расходуется О2 количеством вещества 2 моль, на сгорание СН4 количеством вещества 0,25 моль расходуется х моль О2, откуда х = 0,5 моль.

Кислород количеством вещества 0,5 моль занимает объем 11,2 л.

В воздухе 20% кислорода, следовательно, объем воздуха будет равен

Ответ: 880 кДж, 56 л.


Задания для практической работы № 1 (варианты):
1. Рассчитайте, какая из ниже перечисленных реакций при стандартных условиях может идти самопроизвольно:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

2. При сварке трамвайных рельсов используют термитную смесь, которую готовят, смешивая порошки алюминия и оксида железа (III) в количественном отношении 2:1. Термохимическое уравнение горения термитной смеси следующее: Сколько теплоты выделится при образовании: 1) 4 моль железа; 2) 1 моль железа?

3. Рассчитайте, достаточно ли теплоты, выделяющейся при сгорании 200 кг каменного угля, содержащего 82% углерода, для полного разложения162 кг карбоната кальция, если для разложения 1 моль необходимо 180 кДж теплоты, а при сгорании 1 моль углерода, входящего в состав каменного угля, выделяется 402 кДж теплоты.

4. Процесс алюминотермии выражается химическим уравнением Рассчитайте, сколько теплоты выделится при сгорании 1 кг термита.

5. Возможен ли обжиг колчедана массой 1 т по следующему уравнению химической реакции .

6. Вычислите тепловой эффект образования из простых веществ, при стандартном условии по тепловым эффектам реакции:





7. Стандартный тепловой эффект реакции сгорания этана равен -1560 кДж. Рассчитайте стандартную теплоту образования этана, если известно, что



8. Вычислите тепловой эффект реакции восстановления оксида железа водородом, пользуясь следующими данными:



;

;

9. Протекание какой из приведенных реакций восстановления оксида железа (III) наиболее вероятно при 298 К.



10. В какой из перечисленных ниже реакций тепловой эффект будет стандартной теплотой .





Практическая работа № 2

Химическое равновесие

Основы теории
При протекании химической реакции через некоторое время устанавливается равновесное состояние (химическое равновесие). Слово «равновесие» означает состояние, в котором сбалансированы все противоположно направленные на систему воздействия. Тело, находящееся в состоянии устойчивого равновесия, обнаруживает способность возвращаться в это состояние после какого-либо возмущающего воздействия.

Примером тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, может служить шарик, лежащий на дне ямки. Если его толкнуть в одну или другую сторону, он вскоре снова возвращается в состояние устойчивого равновесия. В отличие от этого шарик, лежащий на краю ямки, находится в состоянии неустойчивого равновесия — достаточно ничтожного толчка, чтобы он необратимо скатился в ямку.

Оба этих примера являются примерами статического равновесия. В химии, однако, приходится сталкиваться не столько со статическими равновесиями, столько с динамическими («подвижными»). Динамическое равновесие устанавливается, когда оказываются сбалансированными два обратимых или противоположных процесса. Динамические равновесия подразделяют на физические и химические. Наиболее важными типами физических равновесий являются фазовые равновесия. Система находится в состоянии химического равновесия, если скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции.

Например, если скорость протекания реакции (константа скорости к1)

А(г) + В(пар) АВ(г)

равна скорости обратной реакции (константа скорости k2)

АВ(г) А(г) + В(пар),

то система находится в динамическом равновесии. Подобные реакции называются обратимыми, а их уравнения записывают с помощью двойной стрелки:

А(г) + В(пар) АВ(г).

Реакции, протекающие слева направо, называются прямой, справа налево – обратной.

Нужно подчеркнуть, что реакционная система остается в состоянии динамического равновесия лишь до тех пор, пока система остается изолированной. Изолированной называют такую систему, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией.

Состояние химического равновесия обратимых процессов количественно характеризуется константой равновесия. Так, для обратимой реакции общего вида

аA +bB сC + dD

константа равновесия К, представляющая собой отношение констант скорости прямой и обратной реакций, запишется



где, Кс константа скорости реакции, зависящая от концентрации реагирующих компонентов; Сi или [ i ]- равновесная молярная концентрация i-того компонента;



a, b, c, d – стехиометрические коэффициенты веществ.

В правой части уравнения стоят концентрации взаимодействующих частиц, которые устанавливают при равновесии, - равновесные концентрации.

Уравнение представляет собой математическое выражение закона действующих масс при химическом равновесии. Для реакции с участием газов константа равновесия выражается через парциальные давления, а не через их равновесные концентрации. В этом случае константу равновесия обозначают символом Кр :



Рi - равновесные парциальные давления i-того компонента.

Сi - равновесная молярная концентрация компонентов.

a, b, c, d стехиометрические коэффициенты веществ.

Состояние химического равновесия при неименных внешних условиях теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности, т.е. при изменении температуры, давления или концентрации реагентов, равновесии может «сместиться» в ту или иную сторону протекания процесса.

Изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяется принципом подвижного равновесия – принципом Ле ШательеБрауна. При воздействие на равновесную систему, любого внешнего фактора, равновесие в системе смещается в таком направлении, чтобы уменьшить воздействие этого фактора.

1. Влияние давления на равновесие химической реакции (для реакции, проходящей в газовой фазе).

aA + bB cC + dD

- если реакция идет с увеличением количества компонентов a + b < c + d, то повышение давления смещает равновесие химической реакции справа налево.

- если реакция идет с уменьшением количества компонентов a + b > c + d, при увеличении давления сдвиг равновесия произойдет слева направо.

- если количество компонентов одинаково a + b = c + d, то изменение давления не повлияет на положении равновесия.

2. Влияние инертного газа. Введение инертного газа подобно эффекту уменьшения давления (Ar, N2, водяной пар). Инертный газ не участвует в реакции.

3. Влияние изменения концентрации реагирующих веществ. При введение дополнительного количества вещества равновесие химической реакции сместиться в ту сторону где концентрация вещества уменьшается.

4. Влияние температуры на химическое равновесие реакции.

Если к равновесной системе подводится теплота, то в системе происходят изменения, чтобы ослабить это воздействие, т.е. процессы с поглощением теплоты. При экзотермических реакциях снижение температуру сместит равновесие слева направо, а при эндотермических реакциях повышение температуры сместит равновесие справа налево.

Зависимость Кр от температуры – уравнение Вант – Гоффа.

; ;

(); lnkT1 – lnkT2 =



Примеры решения задач


Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница